葡萄糖生物传感器及其葡萄糖生物传感膜
阅读说明：本技术 葡萄糖生物传感器及其葡萄糖生物传感膜 (Glucose biosensor and glucose biosensing membrane thereof ) 是由 沈薇 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于葡萄糖脱氢酶的葡萄糖生物传感器。从根本上消除了氧气对葡萄糖检测的制约,提高了持续葡萄糖监测系统的灵敏度、准确性、重现性、稳定性、专一性和抗干扰能力,并延长了持续葡萄糖监测系统的使用寿命,同时大大地降低了葡萄糖生物传感器的制作成本。(The invention discloses a glucose biosensor based on glucose dehydrogenase. The method fundamentally eliminates the restriction of oxygen on glucose detection, improves the sensitivity, accuracy, reproducibility, stability, specificity and anti-interference capability of the continuous glucose monitoring system, prolongs the service life of the continuous glucose monitoring system, and greatly reduces the manufacturing cost of the glucose biosensor.)
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，更具体地说，它涉及葡萄糖生物传感器及其葡萄糖生物传感膜。
背景技术
自1962年Clark和Lyon成功地研制出第一个生物传感器以来，经过近60年的发展，生物传感器已经在多个领域得到了广泛的应用。例如基于生物传感技术发展起来的各种葡萄糖生物传感器已经造福了千百万的糖尿病患者。其中，近几年迅速发展起来的持续葡萄糖监测系统以其使用方便和实时监测等特点，受到越来越多的糖尿病患者的青睐，特别是I型糖尿病患者。作为持续葡萄糖监测系统的核心部件,葡萄糖生物传感器的性能直接决定了持续葡萄糖监测系统的性能和使用寿命。现有的持续葡萄糖监测系统所使用的葡萄糖生物传感器都是基于葡萄糖氧化酶发展起来的，包括美敦力、德康和雅培。例如美敦力的Guardian和iPro2和德康的Dexcom G5和G6都是通过电化学方法检测葡萄糖在葡萄糖氧化酶催化氧化过程中生成的过氧化氢来对葡萄糖进行间接监测。因而它们依赖体液如组织液或血液中的氧气—葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖的自然媒介体,来实现对葡萄糖的监测。而体液中的氧气含量(0.2-0.3毫摩尔/升)远远低于葡萄糖的含量(4-11毫摩尔/升),因此,体液中氧气的含量就成了制约这类持续葡萄糖监测系统的性能的主要因素，也就是所谓的“氧匮乏”现象。和其它持续葡萄糖监测系统相比，它们的灵敏度普遍偏低。由于电化学方法检测过氧化氢对电极的要求非常苛刻,只有铂和铂合金等极少数几种材料能用于这类葡萄糖生物传感器的制作,这就大大地增加了持续葡萄糖监测系统的传感器的成本。而且过氧化氢的电化学检测还要求较高的检测电位,因而大大地降低了持续葡萄糖监测系统的抗干扰能力，特别是对常用的退烧药如乙酰氨基酚的抗干扰能力。另外,过氧化氢对葡萄糖氧化酶具有很强的破坏作用，从而严重地影响传感器的稳定性和使用寿命。虽然经过30多年的研究和探索，其性能还远远不能满足葡萄糖持续监测的需要。例如，美敦力的Guardian和iPro2还需要每天进行两次校正，它们的工作寿命也只有一个星期。
为了克服以上问题，Adam Heller等人(Accounts of Chemical Research 23(1990)128-134)发现在基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖生物传感器中引入电化学性能优越的氧化还原物质—氧化还原媒介体(氧化还原小分子如铁氰化物或氧化还原高分子如聚乙烯二茂铁等),葡萄糖氧化酶可以通过这些媒介体来实现与电极进行电子交换。基于此原理发展起来第二代生物传感技术目前已被广泛应用于生物传感器,特别是葡萄糖生物传感器,包括各种一次性血糖检测试纸条和持续葡萄糖监测系统,例如雅培糖尿病护理的FreeStyle Libre和FreeStyle Libre 2。通过对氧化还原媒介体的分子设计和优化,葡萄糖的检测可以在较低的电位下实现,从而大大地提高了持续葡萄糖监测系统的抗干扰能力,特别是对常用的退烧药如乙酰氨基酚的抗干扰能力。由于这类葡萄糖监测系统是通过氧化还原媒介体对葡萄糖进行直接的电化学检测,其灵敏度也得到了显著的改善。但是氧气作为葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖的自然媒介体，不可避免地参与葡萄糖的催化氧化,成为葡萄糖监测的一个重要的干扰因素。为了消除氧气的干扰,人们不得不通过各种算法和引入了各种可以有效地拟制氧气通过的生物相容性膜,最大限度地消除氧气的干扰。
发明内容
本发明成功地研制出了基于葡萄糖脱氢酶的葡萄糖生物传感器。从根本上消除了氧气对葡萄糖检测的制约,提高了持续葡萄糖监测系统的灵敏度、准确性、重现性、稳定性、专一性和抗干扰能力,并延长了持续葡萄糖监测系统的使用寿命,同时大大地降低了葡萄糖生物传感器的制作成本。
在一个方面，本发明提供了一种葡萄糖生物传感膜，其由以下方法制备而成：
步骤1)、将铜、钴、铁、镍、钌、铱或锇的络合物、芳香乙烯类化合物和丙烯酰类化合物的共聚物加入至有机醇溶液中进行反应，得到氧化还原高分子；
步骤2)、利用超滤袋透析对氧化还原高分子进行分离和提纯；
步骤3)将提纯后的氧化还原高分子、葡萄糖脱氢酶和交联剂混合，进行化学交联反应；
步骤4)在化学交联结束以前或溶液开始胶体化将其涂布在电极表面，进行化学交联和固化反应，进而形成葡萄糖生物传感膜。
在一些实施方式中，所述芳香乙烯类化合物包括乙烯吡啶和乙烯吡咯中的一种或两种；所述丙烯酰类化合物包括丙烯酰胺和丙烯酸中的一种或两种。
在一些实施方式中，在步骤1)中，反应温度为30～75℃，反应时间为8～24小时。
在一些实施方式中，在步骤2)中，所述超滤袋透析的切割分子量为500～20000。
在一些实施方式中，所述交联剂包括戊二醛、1,4-丁二醇二缩水甘油醚,聚(二甲基硅氧烷)-二缩水甘油醚、四环氧丙基-4，4-二氨基二苯甲烷,聚乙二醇二縮水甘油醚和4-(2,3-环氧丙氧基)-N,N-二(2,3-环氧丙基)苯胺、环氧氯丙烷、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯中的一种或两种以上。
在一些实施方式中，在步骤3)中，还加入了氨基化的纳米碳管或石墨烯。
在另一个方面，本发明提供了一种葡萄糖生物传感器，包括上述所述的葡萄糖传感膜，在所述葡萄糖传感膜上覆盖有生物相容性膜。
在一些实施方式中，所述生物相容性膜由生物相容性膜前体的溶液涂布在葡萄糖生物传感器上形成，所述生物相容性膜前体的制备方法包括如下步骤：
1)将5～500重量份的丙烯酸酯或其衍生物、1～300重量份的生物相容性基团有机化合物、10～1000重量份的乙醇置于1～100重量份的水中，并经过氩气除氧；
2)加入10～1000重量份的偶氮二异丁腈，置于密闭容器中，在50～75℃反应10～48小时，得到共聚混合物；
3)然后加入500～5000重量份的丙酮沉淀所述共聚混合物，并离心分离、干燥、加入醇类试剂溶解，再加入500～5000重量份的丙酮沉淀，并离心分离，重复该步骤多次，得到沉淀物；
4)最后将步骤3)所得沉淀物在60～120℃条件下真空干燥至少8～24小时，进而得到生物相容性膜前体。
在一些实施方式中，所述生物相容性基团有机化合物包括乙烯基氨基酸、乙烯基乙二醇及其衍生物、乙烯基胆碱、乙烯甜菜碱、乙烯基环氧乙烷、乙烯基环氧丙烷和乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上。
在一些实施方式中，所述涂布包括如下步骤：将权利要求8或9中的生物相容性膜前体的有机醇溶液在至少10万级和含有饱和乙醇蒸汽的环境中，以浸渍提拉法涂布在葡萄糖生物传感膜上，同时，在温度为22～30℃和相对湿度为30～60％的条件下，干燥30～120分钟。
实验表明：基于葡萄糖脱氢酶制作的葡萄糖生物传感器，不仅保持了其对葡萄糖的催化氧化性能，而且实现了在非常低的电位(-100～100毫伏)下对葡萄糖进行监测。而且葡萄糖脱氢酶的使用大大地简化了葡萄糖生物传感器的设计和制造，同时还显著地改善了葡萄糖生物传感器的灵敏度、准确性、稳定性、专一性和抗干扰能力。更重要的是，葡萄糖脱氢酶催化氧化葡萄糖的过程是无需氧气参与的，这就从根本上解决了持续葡萄糖监测系统中的氧气依赖和氧气干扰问题。另一方面，葡萄糖脱氢酶的使用还大大地简化了葡萄糖生物传感器的选择性滲透膜/生物相容性膜的设计和制作，这个选择性滲透膜除了有高度的生物相容性之外，只需要能够有效地调控葡萄糖就满足要求了。我们经过详细的研究和实验发现在含有葡萄糖脱氢酶的生物传感膜上覆盖上我们研制的高度生物相容性的选择性滲透膜-生物相容性膜，可以圆满地实现葡萄糖生物传感器的高度生物相容性，并同时实现了对葡萄糖的精确地调控。
附图说明
图1为循环伏安图：(1)与氧化还原高分子交联后的葡萄糖脱氢酶在PBS缓冲溶液中的循环伏安图(100圈)，(2)加入10毫摩尔/升的葡萄糖后的循环伏安图；
图2为八个覆盖有四层生物相容性膜的葡萄糖生物传感器的葡萄糖浓度-电流曲线；
图3为工作曲线；
图4为(1)覆盖了四层生物相容性膜的葡萄糖生物传感器和(2)没有覆盖生物相容性膜的葡萄糖生物传感器在含有10毫摩尔/升的葡萄糖的PBS缓冲溶液中的稳定性；
图5为覆盖了四层生物相容性膜的葡萄糖生物传感器的在10毫摩尔/升的葡萄糖的PBS缓冲溶液的抗干扰性能(1.0毫摩尔/升的干扰物)；
图6为覆盖有四层生物相容性膜的葡萄糖生物传感器在持续葡萄糖监测系统中的人体的实验结果(圆点是指尖血检测结果)。
具体实施方式
参照附图对本发明做进一步说明。
为了得到催化氧化效率高且可以通过氧化还原高分子与电极进行电子交换的葡萄糖脱氢酶，通过对葡萄糖脱氢酶分子表面游离氨基与氧化还原高分子进行化学交联。我们首先将电化学性能优越的氧化还原小分子，例如铜、钴、铁、镍、钌、铱、锇等的络合物等共价键合或络合到高分子骨架上，然后再将葡萄糖脱氢酶与这个高分子骨架进行化学交联,从而在葡萄糖脱氢酶周围建立起一个电子传递节点网络,葡萄糖脱氢酶催化活性中心就可以通过这个电子传递节点网络直接与电极进行非常快速的电子交换。具体如下所述：
葡萄糖生物传感膜，其由以下方法制备而成：
步骤1)、将1～5重量份的铜、钴、铁、镍、钌、铱、锇的络合物，例如六氨合钌、钌(氨基联吡啶)2、锇(甲氧基联吡啶)2锇(甲基联吡啶)2锇(联吡啶)2、锇(氨基联吡啶)2锇(甲基联咪唑)2等，和2～10重量份的芳香乙烯类化合物和丙烯酰类化合物的共聚物加入至500～2000重量份的50％乙醇溶液中进行反应，得到氧化还原高分子，反应温度为30～75℃，反应时间为8～24小时；
步骤2)、利用超滤袋透析对氧化还原高分子进行分离和提纯；所述超滤袋透析的切割分子量为500～20000；(最佳值：1000)
步骤3)将提纯后的0.1～1.5重量份的氧化还原高分子、0.05～1重量份的的葡萄糖脱氢酶和0.03～1重量份的交联剂混合，进行化学交联反应；
步骤4)在化学交联结束以前或溶液开始胶体化将其加在电极表面，进行化学交联和固化反应，进而形成葡萄糖生物传感膜。
具体实施例：葡萄糖生物传感膜，其由以下方法制备而成：
步骤1)、将2.5克铜、钴、铁、镍、钌、铱、锇的络合物，例如六氨合钌、钌(氨基联吡啶)2、锇(甲氧基联吡啶)2锇(甲基联吡啶)2锇(联吡啶)2、锇(氨基联吡啶)2锇(甲基联咪唑)2等和5克芳香乙烯类化合物和丙烯酰类化合物的共聚物加入至1000毫升50％乙醇溶液中进行反应，得到氧化还原高分子，反应温度为30～75℃，反应时间为8～24小时；
步骤2)、利用超滤袋透析对氧化还原高分子进行分离和提纯；所述超滤袋透析的切割分子量为500～20000；(最佳值：1000)
步骤3)将提纯后的0.5克氧化还原高分子、0.2克的葡萄糖脱氢酶和0.1交联剂混合，进行化学交联反应；
步骤4)在化学交联结束以前或溶液开始胶体化将其加在电极表面，进行化学交联和固化反应，进而形成葡萄糖生物传感膜。
其中，所述芳香乙烯类化合物包括乙烯吡啶和乙烯吡咯中的一种或两种；所述丙烯酰类化合物包括丙烯酰胺和丙烯酸中的一种或两种。
所述交联剂为双功能或多功能交联剂，其包括戊二醛、1,4-丁二醇二缩水甘油醚,聚(二甲基硅氧烷)-二缩水甘油醚、四环氧丙基-4，4-二氨基二苯甲烷,聚乙二醇二縮水甘油醚和4-(2,3-环氧丙氧基)-N,N-二(2,3-环氧丙基)苯胺、环氧氯丙烷、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯中的一种或两种以上。
要进一步提高电子传递速度，在氧化还原高分子与葡萄糖脱氢酶交联时，可以同时与氨基化的纳米碳管或石墨烯进行交联，从而在生物传感膜中引入大量的电子传递通道，形成一个高效的电子传递网络。这样一来，从葡萄糖脱氢酶催化活性中心传递出来的电子可以通过这个电子传递网络快速地到达电极表面。具体如下所述：
将提纯后的0.1～2重量份的氧化还原高分子、0.06～1重量份的葡萄糖脱氢酶、0.07～1.2重量份的氨基化的纳米碳管或石墨烯、以及0.03～1g重量份的交联剂混合，进行化学交联反应；在化学交联结束以前或溶液开始胶体化以前将适量的溶液用滴落涂布法或浸渍提拉法到电极表面，然后在10-37度(最佳值:25)进行化学交联和固化8-24小时(最佳值:12小时)，形成葡萄糖生物传感膜。若需要加固这个生物传感膜和基体电极结合的牢固性，可以与功能化的基体电极进行偶联，如氨基化的碳电极(Materials Science andEngineering A 464(2007)151–156)，制备出稳定的葡萄糖生物传感膜。
具体实施例：将提纯后的0.5克氧化还原高分子、0.2克的葡萄糖脱氢酶、0.25克的氨基化的纳米碳管或石墨烯、以及0.1克的交联剂混合，进行化学交联反应；在化学交联结束以前或溶液开始胶体化以前将适量的溶液用滴落涂布法或浸渍提拉法到电极表面，然后在10-37度(最佳值:25)进行化学交联和固化8-24小时(最佳值:12小时)，形成葡萄糖生物传感膜。若需要加固这个生物传感膜和基体电极结合的牢固性，可以与功能化的基体电极进行偶联，如氨基化的碳电极(Materials Science and Engineering A 464(2007)151–156)，制备出稳定的葡萄糖生物传感膜。
我们首先利用循环伏安法对这个生物传感膜进行表征，如图1所示。图1曲线1清楚地表明经过化学交联后，葡萄糖脱氢酶已经被成功地键合到了电化学性能优越的氧化还原高分子上，在其周围建立起一个电子传递节点网络，实现了葡萄糖脱氢酶通过这个氧化还原高分子电子传递节点网络与电极进行有效的电子交换。如图1曲线1所示，这个生物传感膜的峰电位差远远小于59毫伏，是一个典型的表面电化学现象(如图1，曲线1)。更重要的是，这个生物传感膜具有非常高的稳定性，反反复复的循环伏安法测试没有显示出有任何的电化学活性流失(如图1，曲线1)。
虽然经过以上处理后，我们成功地将氧化还原高分子与葡萄糖脱氢酶交联到电极表面形成了非常稳定的生物传感膜，但是我们还需要确认这种处理不会对葡萄糖脱氢酶的催化活性中心产生明显的影响，因此还要对化学交联后的葡萄糖脱氢酶的催化活性进行评估。因此，我们再一次用循环伏安法对这个生物传感膜进行表征。我们在PBS缓冲溶液中加入10毫摩尔/升的葡萄糖，如图1曲线2所示，在加入葡萄糖后，这个生物传感膜的循环伏安图清晰地展示了一个典型的电化学催化过程(如图1，曲线2)。以上实验结果清楚地表明化学交联处理没有对葡萄糖脱氢酶的催化活性中心产生影响。进一步的实验表明葡萄糖脱氢酶在这个生物传感膜里不仅保持了其对葡萄糖的催化氧化性能，而且其通过氧化还原高分子对葡萄糖的催化氧化效率比天然葡萄糖脱氢酶对葡萄糖的催化氧化效率提高了一个数量级以上，这就为这个生物传感膜在动态血糖仪中的应用铺平了道路。
虽然我们成功地对葡萄糖脱氢酶与氧化还原高分子和碳纳米材料进行化学交联，并将其制成葡萄糖生物传感膜，但是要用于葡萄糖的持续监测，特别是用于持续葡萄糖监测系统的葡萄糖生物传感器，我们还要保证它有足够宽的线性响应范围和高度的稳定性，很可惜，这个葡萄糖传感膜的线性响应范围非常窄，只有0～5毫摩尔/升，而且其稳定性也不理想。这些都可以通过在葡萄糖传感膜上覆盖并优化生物相容性膜来改善。具体如下所述：
葡萄糖生物传感器，包括上述所述的葡萄糖传感膜，在所述葡萄糖传感膜上覆盖有生物相容性膜。
所述生物相容性膜由生物相容性膜前体的溶液涂布在葡萄糖生物传感器上形成，所述生物相容性膜前体的制备方法包括如下步骤：
1)将5～500重量份的丙烯酸酯或其衍生物、1～300重量份的生物相容性基团有机化合物、10～1000重量份的乙醇置于1～100重量份的水中，并经过氩气除氧；
2)加入10～1000重量份的偶氮二异丁腈，置于密闭容器中，在50～75℃反应10～48小时，得到共聚混合物；
3)然后加入500～5000重量份的丙酮沉淀所述共聚混合物，并离心分离、干燥、加入醇类试剂溶解，再加入500～5000重量份的丙酮沉淀，并离心分离，重复该步骤多次，得到沉淀物；
4)最后将步骤3)所得沉淀物在60～120℃条件下真空干燥至少8～24小时，进而得到生物相容性膜前体。
具体实施例：生物相容性膜前体的制备方法包括如下步骤：
1)将300g的丙烯酸酯或其衍生物、200g重量份的生物相容性基团有机化合物、1000g重量份的乙醇置于50g的水中，并经过氩气除氧；
2)加入100g重量份的偶氮二异丁腈，置于密闭容器中，在50～75℃反应10～48小时，得到共聚混合物；
3)然后加入1000g的丙酮沉淀所述共聚混合物，并离心分离、干燥、加入醇类试剂溶解，再加入1000g的丙酮沉淀，并离心分离，重复该步骤多次，得到沉淀物；
4)最后将步骤3)所得沉淀物在60～120℃条件下真空干燥至少8～24小时，进而得到生物相容性膜前体。
其中，所述生物相容性基团有机化合物包括乙烯基氨基酸、乙烯基乙二醇及其衍生物、乙烯基胆碱、乙烯甜菜碱、乙烯基环氧乙烷、乙烯基环氧丙烷和乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上。
生物相容性膜的涂布：我们将10-400毫克/毫升(最佳值：250)生物相容性膜前体的乙醇溶液在至少10万级的洁净室和含有饱和乙醇蒸汽的环境中，以浸渍提拉法(下降速度：100-5000微米/秒，最佳值：2000，提拉速度20-2000微米/秒，最佳值：500)均匀地涂布在含有葡萄糖脱氢酶的生物传感膜上，制备出葡萄糖生物传感器上。然后将这些葡萄糖生物传感器在严格控制的环境中(温度：22-30℃，最佳值：25，相对湿度30-60％，最佳值：45，30-120分钟，最佳值：60)进行干燥成膜。待溶剂完全蒸发后，这些葡萄糖生物传感器表面已经被一层薄薄的生物相容性膜完全覆盖。为了增加生物相容性膜的厚度，以上过程可以反复多次，通常2-8次(最佳值：4次)就可以达到所需要的厚度。由于这个生物相容性膜是通过多次成膜过程而形成的，其最终的对葡萄糖的调控性能可以非常方便和有效地通过对膜的厚度(浸渍提拉次数)和生物相容性膜溶液的配方进行优化,从而达到预期的效果。优化后的传感器对葡萄糖的可监测范围从被大幅地拓展到了2-52毫摩尔/升，完全满足了持续葡萄糖监测系统的需要，如图2和3所示。
与此同时，覆盖了生物相容性膜的葡萄糖生物传感器的稳定性也得到了显著的改善。例如，经过50个小时的连续测试，其电流信号只有不到2％的衰减(如图3，曲线1)，相比之下，没有覆盖生物相容性膜的葡萄糖生物传感器的电流信号在50个小时连续测试中衰减了20％以上(如图4，曲线2)。
如前所述，现有的持续葡萄糖监测系统的葡萄糖生物传感器都是在葡萄糖氧化酶的基础上制备的，在对葡萄糖检测时，氧气就成了制约持续葡萄糖监测系统性能的一个主要因素。而我们这个葡萄糖生物传感器中的葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖时是不需要氧气的参与。实验结果也证实氧气对葡萄糖检测无任何干扰(如图4所示)。如图4所示，当在含有10毫摩尔/升的葡萄糖的PBS缓冲溶液中通入氧气时和当溶液中的氧气被氩气完全除去后，覆盖有生物相容性膜的葡萄糖生物传感器的电流没有任何的衰减。另外，由于葡萄糖的检测是在非常低的电位下(-100～100毫伏)进行的，其对尿酸、对乙酰氨基酚和乙酰水杨酸等的抗干扰能力得到非常显著地改善，如图5所示。
虽然以上实验结果证明我们的生物相容性膜在体外测试中展示出优越的性能，其在活体监测时的性能才是对它的生物相容性的最有力的证明。因此，我们在体外工作的基础上,将覆盖有生物相容性膜的葡萄糖生物传感器应用于持续葡萄糖监测系统，在连续两个星期的人体试验中，其灵敏度(基线)没有明显的衰减，如图6所示，更重要的是，其监测到的葡萄糖浓度与指血测试的结果高度吻合。
综上所述，在基于葡萄糖脱氢酶发展起来的葡萄糖生物传感器完全克服了氧气对葡萄糖检测的制约，当覆盖了我们研制的生物相容性膜时，我们可以非常简单有效和精确地对葡萄糖进行调控，更重要的是这个生物相容性膜的存在显著地拓展了葡萄糖的可检测范围，并大大地提高了葡萄糖生物传感器的稳定性和抗干扰能力，充分满足了免校正持续葡萄糖监测系统的要求，为免校正持续葡萄糖监测系统的产品化奠定了基础。
本具体实施例中的指定方向仅仅是为了便于表述各部件之间位置关系以及相互配合的关系。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法